Forskare har utvecklat en teknik där de spontant kan kapsla in mikroskopiska droppar av vatten- och oljeemulsion i en liten klot gjord av saltkristaller - ungefär som en minuts självbyggande origamifotboll fylld med vätska. Processen, som de kallar "kristallkapillär origami", skulle kunna användas inom en rad områden från mer exakt läkemedelsleverans till medicinsk utrustning i nanoskala. Tekniken beskrivs i en artikel som publiceras i tidskriften Nanoscale den 21 september.

Kapillärverkan, eller 'kapillaritet', kommer att vara bekant för de flesta människor som det sätt som vatten eller andra vätskor kan röra sig uppför smala rör eller andra porösa material, till synes i trots av gravitationen (till exempel inom växternas kärlsystem, eller ännu enklare , ritningen av färg mellan håren på en pensel). Denna effekt beror på kohesionskrafterna (benägenheten hos en vätskas molekyler att klibba ihop), vilket resulterar i ytspänning och adhesion (deras tendens att fastna på ytan av andra ämnen). Styrkan hos kapilläriteten beror på vätskans kemi, det porösa materialets kemi och på de andra krafter som verkar på dem båda. Till exempel skulle en vätska med lägre ytspänning än vatten inte kunna hålla upp en vattenstrider-insekt.

Mindre känt är ett relaterat fenomen, elasto-kapillaritet, som drar fördel av förhållandet mellan kapilläritet och elasticiteten hos ett mycket litet platt ark av ett fast material. Under vissa omständigheter kan kapillärkrafterna övervinna arkets elastiska böjmotstånd.

Detta förhållande kan utnyttjas för att skapa "kapillär origami" eller tredimensionella strukturer. När en vätskedroppe placeras på det platta arket kan det senare spontant inkapsla det förra på grund av ytspänning. Kapillär origami kan anta andra former, inklusive skrynkling, buckling eller självvikning till andra former. Den specifika geometriska formen som 3D-kapillärorigamistrukturen slutar ta bestäms av både det platta arkets och vätskans kemi, och genom att noggrant utforma formen och storleken på arket.

Det finns dock ett stort problem med dessa små enheter. "Dessa konventionella självmonterade origamistrukturer kan inte vara helt sfäriska och kommer alltid att ha diskontinuerliga gränser, eller vad man kan kalla "kanter", som ett resultat av den ursprungliga tvådimensionella formen på arket", säger Kwangseok Park, en ledande forskare. på projektet. Han tillade, "Dessa kanter kan visa sig vara framtida defekter med potential för misslyckande i ansiktet av ökad stress." Icke-sfäriska partiklar är också kända för att vara mer ofördelaktiga än sfäriska partiklar när det gäller cellulärt upptag.

Professor Hyoungsoo Kim från institutionen för maskinteknik förklarade, "Det är därför forskare länge har varit på jakt efter ämnen som kan producera en helt sfärisk kapillär origamistruktur."

Författarna till studien har visat en sådan origami-sfär för första gången. De visade hur i stället för ett platt ark kan tillväxten av saltkristaller utföra kapillär origamiverkan på ett liknande sätt. Vad de kallar 'kristallkapillärorigami' konstruerar spontant en slät sfärisk skalkapsel från samma ytspänningseffekter, men nu bestäms den spontana inkapslingen av en vätska av de elasto-kapillära förhållandena för växande kristaller.

Här syftar termen "salt" på en förening av en positivt laddad jon och en annan negativt laddad. Bordssalt, eller natriumklorid, är bara ett exempel på ett salt. Forskarna använde fyra andra salter:kalciumpropionat, natriumsalicylat, kalciumnitrattetrahydrat och natriumbikarbonat för att omsluta en vatten-oljeemulsion. Normalt har ett salt som natriumklorid en kubisk kristallstruktur, men dessa fyra salter bildar plattliknande strukturer som kristalliter eller "korn" (den mikroskopiska form som bildas när en kristall först börjar växa) istället. Dessa plattor sätts sedan ihop till perfekta sfärer.

Med hjälp av svepelektronmikroskopi och röntgendiffraktionsanalys undersökte de mekanismen för sådan bildning och drog slutsatsen att det var 'Laplace-tryck' som driver kristallitplattorna att täcka emulsionsytan. Laplace-trycket beskriver tryckskillnaden mellan det inre och yttre av en krökt yta orsakad av ytspänningen i gränsytan mellan de två ämnena, i detta fall mellan saltvattnet och oljan.

Forskarna hoppas att dessa självmonterande nanostrukturer kan användas för inkapslingstillämpningar inom en rad olika sektorer, från livsmedelsindustrin och kosmetika till läkemedelsleverans och till och med små medicinska apparater. + Utforska vidare

Naturinspirerade beläggningar kan driva små kemilabb för medicinska tester och mer